Linux 管道通信详解：匿名管道进程池与命名管道服务端客户端模型

3. 命名管道

如果需要在无关进程之间通信，就需要命名管道（FIFO）。它像一个普通文件一样存在于文件系统中，拥有路径名，任何知道路径的进程都可以打开它。

可以通过命令行 mkfifo 文件名 创建，也可以在程序中调用 mkfifo 函数。

注意： 命名管道创建后需要手动删除（使用 unlink），否则会在文件系统中残留。

三、实例：匿名管道实现进程池

进程池是一种优化手段，提前创建好多个子进程，任务到来时直接分配，避免频繁创建销毁进程的开销。

在这个例子中，父进程维护一组通道，每个通道对应一个子进程。父进程随机选择任务发送给某个子进程，子进程持续监听管道接收指令。

#include <cassert>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <vector>

// 定义错误码
enum {
    OK = 0,
    PIPE_ERR,
    FORK_ERR,
    READ_ERR,
    WRITE_ERR,
    WAIT_ERR
};

const int gprocessnum = 7;

void task1() { std::cout << "这是下载数据任务" << std::endl; }
void task2() { std::cout << "这是打印日志任务" << std::endl; }
void task3() { std::cout << "这是刷新磁盘任务" << std::endl; }
void task4() { std::cout << "这是更新用户状态任务" << std::endl; }

typedef void (*task_t)();

const int gtasknum = 4;
task_t tasks[gtasknum] = {task1, task2, task3, task4};

class ProcessPool {
private:
    class Channel {
    private:
        int _wfd;
        pid_t _id;
        std::string channel_name;
    public:
        Channel(int wfd, pid_t id) : _wfd(wfd), _id(id) {
            channel_name = "channel-" + std::to_string(id);
        }
        void ClosePipe() { close(_wfd); }
        void PrintInfo() {
            printf("管道 wfd: %d, 通道名：%s\n", _wfd, channel_name.c_str());
        }
        int getfd() { return _wfd; }
        const char* getname() { return channel_name.c_str(); }
        void Wait() {
            pid_t rid = waitpid(_id, nullptr, 0);
            if (rid < 0) {
                exit(WAIT_ERR);
            }
            std::cout << "回收子进程：" << _id << std::endl;
        }
    };

public:
    ProcessPool() {
        srand(time(NULL));
    }

    void Init() {
        CreateProcessChannels();
    }

    void Debug() {
        for (auto& channel : channels) {
            channel.PrintInfo();
        }
    }

    void Run() {
        int cnt = 10;
        while (cnt--) {
            int itask = SelectTask();
            int ichannel = SelectChannel();
            printf("向通道%s发送任务 task%d...\n", channels[ichannel].getname(), itask + 1);
            SendTask2Channel(itask, ichannel);
            sleep(1);
        }
    }

    void Quit() {
        for (auto& channel : channels) {
            channel.ClosePipe();
            channel.Wait();
        }
    }

private:
    void CreateProcessChannels() {
        for (int i = 0; i < gprocessnum; i++) {
            int pipefd[2] = {0};
            int n = pipe(pipefd);
            if (n < 0) {
                exit(PIPE_ERR);
            }
            pid_t id = fork();
            if (id < 0) {
                exit(FORK_ERR);
            } else if (id == 0) {
                // 子进程逻辑
                if (!channels.empty()) {
                    for (auto& channel : channels) channel.ClosePipe();
                }
                close(pipefd[1]); // 关闭写端
                DoTask(pipefd[0]);
                exit(OK);
            } else {
                // 父进程逻辑
                close(pipefd[0]); // 关闭读端
                channels.emplace_back(pipefd[1], id);
                printf("创建子进程%d成功\n", id);
            }
        }
    }

    void DoTask(int fd) {
        while (1) {
            int task_code;
            ssize_t n = read(fd, &task_code, sizeof(task_code));
            if (n == sizeof(task_code)) {
                if (task_code >= 0 && task_code < gtasknum) {
                    tasks[task_code]();
                }
            } else if (n == 0) {
                printf("%d任务退出\n", getpid());
                break;
            } else {
                exit(READ_ERR);
            }
        }
    }

    int SelectTask() {
        return rand() % gtasknum;
    }

    int SelectChannel() {
        static int i = 0;
        int selected = i;
        i++;
        i %= gprocessnum;
        return selected;
    }

    void SendTask2Channel(int itask, int ichannel) {
        assert(0 <= itask && itask < gtasknum && ichannel >= 0 && ichannel < gprocessnum);
        ssize_t n = write(channels[ichannel].getfd(), &itask, sizeof(itask));
        if (n < 0) {
            exit(WRITE_ERR);
        }
    }

private:
    std::vector<Channel> channels;
};

int main() {
    ProcessPool pp;
    pp.Init();
    pp.Debug();
    pp.Run();
    pp.Quit();
    return 0;
}

四、实例：命名管道实现服务端客户端通信

对于无亲缘关系的进程，我们可以利用命名管道构建类似 C/S 架构的通信模型。

这里我们封装了一个 Fifo 类来简化操作，支持创建、打开、发送和接收消息。

Fifo.hpp

#pragma once
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <fcntl.h>
#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#define FOR_READ 1
#define FOR_WRITE 2

const std::string myfifo = "./fifo";

class Fifo {
public:
    Fifo(const std::string& filename = myfifo) : _filename(filename), _mode(0666), _fd(-1) {}

    void Build() {
        if (IsExist()) return;
        int n = mkfifo(_filename.c_str(), _mode);
        if (n < 0) {
            std::cerr << "mkfifo error: " << strerror(errno) << std::endl;
            exit(1);
        }
        std::cout << "mkfifo success" << std::endl;
    }

    void Open(int mode) {
        if (mode == FOR_READ) {
            _fd = open(_filename.c_str(), O_RDONLY);
        } else if (mode == FOR_WRITE) {
            _fd = open(_filename.c_str(), O_WRONLY);
        }
        if (_fd < 0) {
            std::cerr << "open error: " << strerror(errno) << std::endl;
            exit(2);
        }
        std::cout << "open success" << std::endl;
    }

    void Delete() {
        if (!IsExist()) return;
        int n = unlink(_filename.c_str());
        if (n < 0) {
            std::cerr << "delete error: " << strerror(errno) << std::endl;
            exit(3);
        }
        std::cout << "delete success" << std::endl;
    }

    void Send(std::string& msgin) {
        ssize_t n = write(_fd, msgin.c_str(), msgin.size());
    }

    int Receive(std::string& msgout) {
        char buffer[128];
        ssize_t n = read(_fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (n > 0) {
            buffer[n] = '\0';
            msgout = buffer;
            return n;
        } else if (n == 0) {
            return 0;
        } else {
            return -1;
        }
    }

private:
    bool IsExist() {
        struct stat st;
        int n = stat(_filename.c_str(), &st);
        if (n == 0) {
            return true;
        } else {
            errno = 0;
            return false;
        }
    }

private:
    std::string _filename;
    mode_t _mode;
    int _fd;
};

Server.cc

#include "Fifo.hpp"

int main() {
    Fifo pipefile;
    pipefile.Build();
    pipefile.Open(FOR_READ);
    std::string msg;
    while (1) {
        int n = pipefile.Receive(msg);
        if (n > 0) {
            std::cout << "客户端说：" << msg << std::endl;
        } else {
            break;
        }
    }
    pipefile.Delete();
    return 0;
}

Client.cc

#include "Fifo.hpp"

int main() {
    Fifo fileclient;
    fileclient.Open(FOR_WRITE);
    while (1) {
        std::cout << "请输入:" << std::endl;
        std::string msg;
        std::getline(std::cin, msg);
        fileclient.Send(msg);
    }
    return 0;
}

通过以上两个实例，我们可以清晰地看到匿名管道在进程池中的应用以及命名管道在跨进程通信中的灵活性。在实际开发中，根据进程关系选择合适的 IPC 方式是提升系统性能的关键。